C1 Herstellung funktioneller Granulate und Agglomerate mit großen Energiedissipationsdichten
Sachbearbeitung:
Maike Orth, M.Sc., Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie
Betreuung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Stefan Heinrich, Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Düster
Zielsetzung
- Schadensreduktion bei Schiffskollisionen durch Einbringen von granularen Füllstoffen in die Schiffsdoppelwände:
- Auf äußere Wand einwirkende Kraft wird nach innen übertragen
- Energiedissipation durch Bruch des Füllmaterials
- Füllstoffe weisen bestimmte Anforderungen auf:
- Nicht toxisch (Schutz der Umwelt)
- Einhaltung von Brand-, Explosions- und Gesundheitsschutz
- Pump- und Förderfähigkeit (leichte Entnahme bei Wartung)
- Hydrophobie (keine Gewichtszunahme durch Feuchtigkeit)
- Gewicht und Dichte (zusätzlicher Auftrieb)
- Herstellung der Granulate/Agglomerate mittels Wirbelschicht-Sprühgranulation
Simulation einer Strahlschicht.
Methoden und Arbeitsprogramm
- Charakterisierung der Granulate/Agglomerate und Bewertung hinsichtlich der Energiedissipationsdichte:
- Nanoindentation
- Einzelkorn-Druckversuche (Elastizitätsmodul, Bruchfestigkeit)
- Partikel-Luftkanonen-Aufprallversuche mit und ohne Looping
- Bildgebende Verfahren zur Charakterisierung der Mikrostruktur:
- Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Konfokale Laserscanning Mikroskopie
- Modellierung und Simulation des Granulationsprozesses und der entstehenden Granulate/Agglomerate in Multiskalenansätzen:
- Gekoppelte Computational Fluid Dynamics (CFD)-Discrete Element Method (DEM)-Simulationen
Ergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden Beschichtungsversuche mit verschiedenen Materialien durchgeführt. Als Kernpartikel wurden dabei poröse Glaspartikel (Poraver®, Deutschland) mit einem Durchmesser zwischen 2 und 4 mm verwendet. Diese Partikel weisen aufgrund ihrer hohen Porosität von 77 % (geschlossene Poren) sowie ihrer gleichzeitigen mechanischen Festigkeit gute Voraussetzungen auf, um als Füllmaterial eingesetzt zu werden. Ein großes Problem ist in diesem Fall allerdings Abrieb, der entsteht, wenn die Partikel sich im Kontakt mit anderen Partikel oder der Wand bewegen. Dadurch werden einerseits die mechanischen Eigenschaften der Partikel beeinflusst, andererseits entsteht Staub, der unter anderem die Wartung beeinträchtigt. Zur Optimierung der Partikeleigenschaften hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit als Füllmaterial wurden die Partikel mittels Wirbelschichtsprühgranulation beschichtet. Als Beschichtungsmaterialien wurden Candelillawachs (Norvero GmbH, Deutschland) sowie Zwei Komponenten-Silikon (Silikonfabrik, Deutschland) verwendet.
Durch die Beschichtung wird die mechanische Stabilität, charakterisiert besipeilsweise durch die Bruchkraft, die der maximalen Kraft in der Kraft-Weg-Kurve entspricht, verändert. Eine weitere wichtige mechanische Eigenschaft ist das Abriebsverhalten unter dynamischer, mechanischer Belastung. Während in Einzelkorn-Druckversuchen kein signifikanter Einfluss auf die Bruchkraft festgestellt werden konnte, zeigten Kompressionsversuche mit mehreren Partikeln vielversprechende Ergebnisse. So absorbierten mit Wachs beschichtete Partikel in diesen Versuchen eine verbesserte Energieaufnahme bis zum Bruch und bei den mit Silikon beschichten Partikeln wurde eine höhere Bruchkraft im Vergleich zu unbeschichteten Partikeln gemessen. Im Zusammenhang der Anwendung als Füllmaterial korrespondiert dies mit einer höheren Kraft, die in das System eingebracht werden muss, um die Partikel zu brechen, und somit einer höhere Energiedissipation beim Bruch der Partikel.
Weiterhin wurde durch beide Beschichtungen die Staubmenge, die während einer Stunde mechanischer Belastung in einem Feststoffmischer entsteht, reduziert. Bei unbehandelten Glaspartikeln wurden 14.6 % der ursprünglichen Partikelmasse in Staub umgewandelt, wohingegen der Materialverlust bei mit Wachs beschichteten Partikeln lediglich 0.3 % betrug. Im Fall von mit Silikon beschichteten Partikeln wurde kein signifikanter Massenverlust gemessen.
Neben der Bruchkraft steigt durch die Beschichtung wie erwartet auch die Schüttdichte der Partikel an. Dies ist den anfangs formulierten Kriterien nach zwar unerwünscht, allerdings ist eine geringe Gewichtszunahme der Partikel unvermeidlich, da eine zusätzliche dichte Schicht auf die Partikeloberfläche aufgebracht wird. Wichtig ist es dennoch, dass die Zunahme der Dichte geringer als die der mechanischen Stabilität ist, sodass ein Kompromiss gefunden werden kann, bei dem die positiven Effekte überwiegen. Im Fall von mit Wachs beschichtete Partikel stieg die Dichte im Vergleich zu unbeschichteten Partikeln um 15.6 % an, bei mit Silikon beschichteten Partikeln 6.8 %.
Insgesamt konnte die mechanische Stabilität und die damit verbundene Energiedissipation der Glaspartikel verbessert werden, wobei die anfangs genannten Kriterien, die für Füllmaterialien in Schiffsdoppelwänden gelten, erfüllt werden.
Literatur
[1] Fries, L. (2012): Discrete particle modeling of a fluidized bed granulator, Dissertation, Technische Universität Hamburg-Harburg.
[2] Dosta, M., Dale, S., Antonyuk, S., Wassgren, C., Heinrich, S., Litster, J.D. (2016): Numerical and experimental analysis of influence of granule microstructure on its compress ion breakage, Powder Technology, 299, S. 87–97.
[3] Eckhard, S., Fries, M., Antonyuk, S., Heinrich, S. (2017): Dependencies between internal structure and mechanical properties of spray dried granules – Experimental study and DEM simulation, Advanced Powder Technology, 28, 1, S. 185-196.
[4] Orth, M., Rotter, S., Safdar, W., Tasdemir, S., Pietsch-Braune, S., Heinrich, S., Düster A. (2023): Fluidized Bed Spray Coating for Improved Mechanical Properties of Particles, Processes, 11.